CN111857313B - 一种整机柜服务器电源模块均流控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种整机柜服务器电源模块均流控制系统及方法，所述系统包括均流管理模块、均流控制模块、均流母线、电源状态监测模块以及若干电源模块；电源模块包括PWM控制单元、DC输出单元和均流线，电源状态监测模块与PWM控制单元及DC输出单元均连接，DC输出单元还与均流线及PWM控制单元连接；均流母线与每个电源模块的均流线连接；均流控制模块与每个电源模块的PWM控制单元连接；均流管理模块与电源状态监测模块及均流控制模块均连接；均流母线通过各电源模块之间的模拟信令设置实现电源模块之间系统负载的均匀分布进行均流。本发明无需人工干预，系统闭环监控电源模块状态，闭环调整电源模块，实现精确均流。
Description
技术领域
本发明属于服务器电源均流技术领域，具体涉及一种整机柜服务器电源模块均流控制系统及方法。
背景技术
PSU，Power Supply Unit的简称，电源模块。
PWM，Pulse Width Modulation的简称，脉冲宽度调制控制器。
CPLD，Complex Programmable Logic Device的简称，复杂可编程逻辑器件。
RMC，RACK Management Controller，服务器整机柜管理控制器。
随着互联网等网络业务的迅猛发展，集中供电的整机柜服务器开始在许多领域得到广泛应用。在整机柜服务器架构中，监控模块RMC是不可或缺的重要部分，其在应用上，需要记录整机柜各个电源模块的功率变化，并及时反映集中供电的电源模块的工作状态。在整机柜服务器系统中，通常对整机柜服务器的电源模块功率变动监控要求比较高，当整机柜各个电源模块功率输出差异较大，机柜内唯一的监控板卡RMC可以记录每个电源模块的功率差异较大的异常信息并报警，研发人员可通过记录下的异常信息对电源模块故障问题进行分析。而随着对整机柜服务器的要求越来越高，用户对集中供电的电源模块的并联均流的要求也越来越高。因为每个电源模块受不可避免的误差和工艺水平的限制，并联运行的各个电源模块的内阻等参数都会存在差异致使其外特性不尽相同，导致每个电源模块的输出电压也不可能做到完全一致。因此各个电源模块上分担的电流也会有所不同，进而造成各个电源模块上功率分布也不同，会导致输出电压变大，输出电流也大，热应力变大，损坏故障概率上升，从而降低了系统的可靠性。
因此，确保整机柜服务器电源模块平均承担负载设计，就要求整机柜电源模块均流设计，保证整机柜服务器供电可靠性，成为当前服务器电源模块供电设计的必备要求。
目前电源模块有两种均流设计，分别为模拟均流和数字均流。模拟均流就是用模拟信号通过均流总线传递电流信息，完成各个电源模块输出均流控制的一种方法。模拟均流的方法存在精度差问题。数字均流技术需要电源模块定制芯片，使得数字均流技术在设计成本和电源模块的通用性上有局限性。
当前整机柜服务器系统电源模块均流设计过程中主要存在以下问题：
1.会导致服务器PSU故障率升高问题。因为并联运行的各个电源模块的内阻等参数存在差异致使其外特性不尽相同，导致每个电源模块的输出电压也不可能做到完全一致，因此各个电源模块上分担的电流也会有所不同，进而造成各个电源模块上功率分布也不同，会导致输出电流大的电源模块的热应力变大，损坏故障概率上升。
2.会导致服务器PSU可靠性降低问题。因为每个模块的功率分布不一样，功率大的模块长期承受的热应力较大，导致所在模块的PSU可靠性降低。
3.会导致服务器PSU均流兼容性差问题。因为不同模块有的是数字电源设计，有的模拟电源设计，混插会导致电源模块均流兼容性差问题。
因此，服务器系统急需新的、均流效果更为理想，成本更好，且通用性更好的均流方案。
此为现有技术的不足，因此，针对现有技术中的上述缺陷，提供一种整机柜服务器电源模块均流控制系统及方法，是非常有必要的。
发明内容
针对现有技术的上述现有整机柜服务器采用简单并联均流，导致PSU故障率升高、可靠性降低以及均流兼容性差的缺陷，本发明提供一种整机柜服务器电源模块均流控制系统及方法，以解决上述技术问题。
第一方面，本发明提供一种整机柜服务器电源模块均流控制系统，包括均流管理模块、均流控制模块、均流母线、电源状态监测模块以及若干电源模块；
电源模块包括PWM控制单元、DC输出单元和均流线，电源状态监测模块与PWM控制单元及DC输出单元均连接，DC输出单元还与均流线及PWM控制单元连接；
均流母线与每个电源模块的均流线连接；
均流控制模块与每个电源模块的PWM控制单元连接；
均流管理模块与电源状态监测模块及均流控制模块均连接；
均流母线通过各电源模块之间的模拟信令设置实现电源模块之间系统负载的均匀分布进行均流；
电源状态监测模块检测均流母线的电压是否为各电源模块电压的均值，并在均流母线电压与电源模块电压均值差别超过阈值时，通知PWM控制单元进行脉宽调整控制电源模块输出电压，实现各电源模块电压的粗调。
进一步地，均流管理模块接收电源状态监测模块监测的各电源模块的电源状态，发送给均流控制模块，均流控制模块根据各电源模块的电源状态计算出需要调整的电源模块及功率，返回给均流管理模块，均流管理模块通知PWM控制单元对相应电源模块进行电压调整，实现细调。
进一步地，电源模块包括AC输入单元、PFC升压和功率因数校正单元、储能单元、功率开关单元、初级侧变压器单元、次级侧变压器单元以及低压整流单元；
AC输入单元、PFC升压和功率因数校正单元、储能单元、功率开关单元、初级侧变压器单元、次级侧变压器单元、低压整流单元以及DC输出单元依次连接；
PWM控制单元还与功率开关单元以及DC输出单元连接。
进一步地，电源模块还包括电流趋势预测单元和PFC控制单元；
电流趋势预测单元与PFC升压和功率因数校正单元及PFC控制单元均连接，PFC控制单元还与PWM控制单元连接；
电流趋势预测单元，用于预测PFC升压和功率因数校正单元的电流突变及瞬态电流，并根据瞬态电流与电流阈值的关系，通过PFC控制单元，通知PWM控制单元调整功率开关单元的占空比，调整电源模块输出功率；
PFC控制单元，用于控制电流趋势预测单元对PFC升压和功率因数校正单元的电流预测。均流母线在负载变动比较小的静态调整效果好，但对负载动态变动时效果较差，增加电流趋势预测单元避免了动态负载变动时出现大的功率偏差。
进一步地，电源状态监测模块，通过电压传感器及电流传感器监测电源模块的输入电压、输入电流、输入功率、输出电压、输出电流以及输出功率；
均流管理模块，负责整机柜内节点监控、电源模块监控，通过侦测总线获取电源状态监测模块监测的各电源模块的输入电压、输入电流、输入功率、输出电压、输出电流以及输出功率。均流管理模块进行均流的细调，以均流控制模块计算的功率对电源模块均流进行精确调整。
进一步地，均流管理模块采用RMC。
进一步地，均流控制模块采用CPLD。
进一步地，电源模块的数量为N+N，对各电源模块及其备用电源模块均进行均流控制。一个N每个节点所需要的电源模块数量，另一个N对应的备份电源模块。
第二方面，本发明提供一种整机柜服务器电源模块均流控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.通过各电源模块之间的模拟信令设置均流母线上的均流；
S2.检测均流母线的电压是否为各模块电压的均值，并在均流母线电压与各模块电源均值差别超过阈值时，进行PWM脉宽调整改变电源模块输出电压，实现各电源模块电压的粗调。
进一步地，还包括如下步骤：
S3.预测PFC升压和功率因数校正单元的电流突变及瞬态电流，并根据瞬态电流与电流阈值的关系，控制PWM脉宽调整，进而调整电源模块输出功率。
进一步地，还包括如下步骤：
S4.通过看门狗定时监控电源状态；
S5.根据电源状态计算出需要调整的电源模块及功率值；
S6.对相应电源模块的发出PWM脉宽调整通知，进行功率调整，实现各电源模块电压的细调。
本发明的有益效果在于，
本发明提供的整机柜服务器电源模块均流控制系统及方法，无需人工干预，系统闭环监控电源模块状态，闭环调整电源模块，实现精确均流，避免PSU功率偏差大导致的误报警，降低PSU故障率，提高PSU可控性及均流兼容性，降低PSU设计的成本。
此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的系统整体结构示意图；
图2是本发明的电源模块内部结构及均流母线示意图；
图3是本发明的电源模块内部结构及电源状态监控示意图；
图4是本发明的电源模块内部结构及电源状态控制示意图；
图5是本发明的方法流程示意图；
图中，1-均流管理模块；2-均流控制模块；3-均流母线；4-电源状态监测模块；5-电源模块；6-AC输入单元；7-PFC升压和功率因数校正单元；8-储能单元；9-功率开关单元；10-初级侧变压器单元；11-次级侧变压器单元；12-低压整流单元；13-DC输出单元；14-PWM控制单元；15-电流趋势预测单元；16-PFC控制单元。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1所示，本发明提供一种整机柜服务器电源模块均流控制系统，包括均流管理模块1、均流控制模块2、均流母线3、电源状态监测模块4以及若干电源模块5；
电源模块5包括PWM控制单元14、DC输出单元13和均流线，电源状态监测模块4与PWM控制单元14及DC输出单元13均连接，DC输出单元3还与均流线及PWM控制单元14连接；
均流母线3与每个电源模块5的均流线连接；
均流控制模块2与每个电源模块5的PWM控制单元14连接；
均流管理模块1与电源状态监测模块4及均流控制模块2均连接；
均流母线3通过各电源模块5之间的模拟信令设置实现电源模块5之间系统负载的均匀分布进行均流；
电源状态监测模块4检测均流母线的电压3是否为各电源模块5电压的均值，并在均流母线电压3与电源模块5电压均值差别超过阈值时，通知PWM控制单元14进行脉宽调整控制电源模块5输出电压，实现各电源模块5电压的粗调；
均流管理模块1接收电源状态监测模块4监测的各电源模块5的电源状态，发送给均流控制模块2，均流控制模块2根据各电源模块5的电源状态计算出需要调整的电源模块及功率，返回给均流管理模块1，均流管理模块1通知PWM控制单元14对相应电源模块5进行电压调整，实现细调；
如图4所示，均流控制模块2，用于通过均流管理模块1接收从电源状态监测模块4监测的各电源模块5的电源参数，再计算出需要调整的电源模块及功率值，返回给均流管理模块1；
如图3所示，均流管理模块1，用于通过电源状态监测模块监控电源状态获取实时电源状态提供给均流控制模块2，再接收均流控制模块2计算出的需调整电源模块及功率，通知PWM控制单元14对相应电源模块5进行电压调整；
电源模块5的PWM控制单元14，用于根据均流母线的电压，通过脉宽调整对各自电源模块5的DC输出单元13的电压进行调整；还用于根据均流管理模块1发送的需调整电源模块及功率对相应电源模块5的DC输出单元13的电压进行调整。
在某些实施例中，电源状态监测模块4，通过电压传感器及电流传感器监测电源模块5的输入电压、输入电流、输入功率、输出电压、输出电流以及输出功率；
均流管理模块1，负责整机柜内节点监控、电源模块5监控，通过侦测总线获取电源状态监测模块4监测的各电源模块5的输入电压、输入电流、输入功率、输出电压、输出电流以及输出功率；
均流管理模块1采用RMC；
均流控制模块2采用CPLD。
实施例2：
如图2所示，本发明提供一种整机柜服务器电源模块均流控制系统，电源模块5还包括AC输入单元6、PFC升压和功率因数校正单元7、储能单元8、功率开关单元9、初级侧变压器单元10、次级侧变压器单元11以及低压整流单元12；
AC输入单元6、PFC升压和功率因数校正单元7、储能单元8、功率开关单元9、初级侧变压器单元10、次级侧变压器单元11、低压整流单元12以及DC输出单元13依次连接；
PWM控制单元14与功率开关单元9以及DC输出单元13连接；
电源模块5还包括电流趋势预测单元15和PFC控制单元16；
电流趋势预测单元15与PFC升压和功率因数校正单元7及PFC控制单元16均连接，PFC控制单元16还与PWM控制单元14连接；
电流趋势预测单元15，用于预测PFC升压和功率因数校正单元7的电流突变及瞬态电流，并根据瞬态电流与电流阈值的关系，通过PFC控制单元16通知PWM控制单元14调整功率开关单元9的占空比，调整电源模块5输出功率；
PFC控制单元16，用于控制电流趋势预测单元15对PFC升压和功率因数校正单元7的电流预测。
实施例3：
本发明提供一种整机柜服务器电源模块均流控制方法，包括如下步骤：
S1.通过各电源模块之间的模拟信令设置均流母线上的均流；
S2.检测均流母线的电压是否为各模块电压的均值，并在均流母线电压与各模块电源均值差别超过阈值时，进行PWM脉宽调整改变电源模块输出电压，实现各电源模块电压的粗调。
实施例4：
如图5所示，本发明提供一种整机柜服务器电源模块均流控制方法，包括如下步骤：
S1.通过各电源模块之间的模拟信令设置均流母线上的均流；
S2.检测均流母线的电压是否为各模块电压的均值，并在均流母线电压与各模块电源均值差别超过阈值时，进行PWM脉宽调整改变电源模块输出电压，实现各电源模块电压的粗调；
S3.预测PFC升压和功率因数校正单元的电流突变及瞬态电流，并根据瞬态电流与电流阈值的关系，控制PWM脉宽调整，进而调整电源模块输出功率；
S4.通过看门狗定时监控电源状态；
S5.根据电源状态计算出需要调整的电源模块及功率值；
S6.对相应电源模块的发出PWM脉宽调整通知，进行功率调整，实现各电源模块电压的细调。
电源内部的均流线都相互连接起来，形成均流母线，通过在电源模块之间的模拟信令实现电源模块之间的系统负载的均匀分布均流，各电源模块经过电阻器将电压驱动到均流母线上的情况下，所施加的电压为电源模块所处的功率电平，全部电源模块监视此母线电压，母线电压为从各电源模块所施加的全部电压的平均值。各电源模块的PWM控制单元驱动其输出电压以实现此平均功率所需电压值，电源各模块达到负载平衡。因为均流母线针对负载变动比较小的静态调整效果好，但对负载动态变动时效果较差，为改善均流效果，在电源模块加入了瞬态电流趋势预测模块。在各个电源模块调整过程中，在规范时间内，用来判断PFC升压和功率因数校正单元的电流是否为突发提前编程记录几种模式，同时对电源模块输出功率按照相反方向主动地最大化调整，使得电源模块输出功率得以保持在规格范围内，不至于在动态负载变动时出现大的功率偏差。瞬态电流趋势预测单元监控PFC升压和功率因数校正模块的电流突变，通过看门狗的时间计数器，预测估计PFC升压和功率因数校正模块的瞬态电流，并基于预测瞬态电流来向上或向下，通知PWM控制单元，调整功率开关单元的占空比，增大或者减少占空比，调整电源模块输出功率增加或者减少。
以CPLD为均流控制模块、以RMC为均流管理模块，对作为电源模块的PSU进行均流控制，CPLD-RMC-PSU闭环精确均流控制环路中，RMC通过看门狗时刻监控电源模块状态，CPLD对RMC监控数据实时处理，并对其中的差异发出命令，使得电源模块功率差异部分进行实时精细化调节。例如，CPLD经过计算发现某个模块功率需要调整，将判断的结果反馈给RMC，RMC通过控制总线，反馈到PWM控制单元，PWM控制单元会根据需调整的电流数据(可以等同于功率)，调出存储的与之对应的内部的参考电压，随后PWM控制单元将该参考电压和PSU输出电压的差值输出PWM控制信号，给功率开关单元，调整PWM信号的占空比，增大或者减少PWM信号的占空比，通过功率开关单元，传递到PSU输出电压端，可以增大或者减少PSU输出电压，从而达到PSU电流(功率)提升或下降而同步提升或者降低PSU输出电压，从而PSU输出电压(功率)能做到保持恒定输出，实现均流。
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种整机柜服务器电源模块均流控制系统，其特征在于，包括均流管理模块（1）、均流控制模块（2）、均流母线（3）、电源状态监测模块（4）以及若干电源模块（5）；
电源模块（5）包括PWM控制单元（14）、DC输出单元（13）和均流线，电源状态监测模块（4）与PWM控制单元（14）及DC输出单元（13）均连接，DC输出单元（1 3）还与均流线及PWM控制单元（14）连接；
均流母线（3）与每个电源模块（5）的均流线连接；
均流控制模块（2）与每个电源模块（5）的PWM控制单元（14）连接；
均流管理模块（1）与电源状态监测模块（4）及均流控制模块（2）均连接；
均流母线（3）通过各电源模块（5）之间的模拟信令设置实现电源模块（5）之间系统负载的均匀分布进行均流；
电源状态监测模块（4）检测均流母线（3 ）的电压是否为各电源模块（5）电压的均值，并在均流母线（3 ）电压与电源模块（5）电压均值差别超过阈值时，通知PWM控制单元（14）进行脉宽调整控制电源模块（5）输出电压，实现各电源模块（5）电压的粗调；
电源模块（5）还包括PFC升压和功率因数校正单元（7）和功率开关单元（9）、电流趋势预测单元（15）和PFC控制单元（16）；
电流趋势预测单元（15）与PFC升压和功率因数校正单元（7）及PFC控制单元（16）均连接，PFC控制单元（16）还与PWM控制单元（14）连接；
PWM控制单元（14）与功率开关单元（9）连接；
电流趋势预测单元（15），用于预测PFC升压和功率因数校正单元（7）的电流突变及瞬态电流，并根据瞬态电流与电流阈值的关系，通过PFC控制单元（16）通知PWM控制单元（14）调整功率开关单元（9）的占空比，调整电源模块（5）输出功率；
PFC控制单元（16），用于控制电流趋势预测单元（15）对PFC升压和功率因数校正单元（7）的电流预测。
2.如权利要求1所述的整机柜服务器电源模块均流控制系统，其特征在于，均流管理模块（1）接收电源状态监测模块（4）监测的各电源模块（5）的电源状态，发送给均流控制模块（2），均流控制模块（2）根据各电源模块（5）的电源状态计算出需要调整的电源模块及功率，返回给均流管理模块（1），均流管理模块（1）通知PWM控制单元（14）对相应电源模块（5）进行电压调整，实现细调。
3.如权利要求2所述的整机柜服务器电源模块均流控制系统，其特征在于，电源模块（5）还包括AC输入单元（6）、储能单元（8）、初级侧变压器单元（10）、次级侧变压器单元（11）以及低压整流单元（12）；
AC输入单元（6）、PFC升压和功率因数校正单元（7）、储能单元（8）、功率开关单元（9）、初级侧变压器单元（10）、次级侧变压器单元（11）、低压整流单元（12）以及DC输出单元（13）依次连接；
PWM控制单元（14）与DC输出单元（13）连接。
4.如权利要求3所述的整机柜服务器电源模块均流控制系统，其特征在于，电源状态监测模块（4），通过电压传感器及电流传感器监测电源模块（5）的输入电压、输入电流、输入功率、输出电压、输出电流以及输出功率；
均流管理模块（1），负责整机柜内节点监控、电源模块（5）监控，通过侦测总线获取电源状态监测模块（4）监测的各电源模块（5）的输入电压、输入电流、输入功率、输出电压、输出电流以及输出功率。
5.如权利要求1所述的整机柜服务器电源模块均流控制系统，其特征在于，均流控制模块（2）采用CPLD。
6.如权利要求1所述的整机柜服务器电源模块均流控制系统，其特征在于，电源模块（5）的数量为N+N，对各电源模块及其备用电源模块均进行均流控制。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述的整机柜服务器电源模块均流控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.通过各电源模块之间的模拟信令设置均流母线上的均流；
S2.检测均流母线的电压是否为各模块电压的均值，并在均流母线电压与各模块电源均值差别超过阈值时，进行PWM脉宽调整改变电源模块输出电压，实现各电源模块电压的粗调。
8.如权利要求7所述的整机柜服务器电源模块均流控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：
S3.预测PFC升压和功率因数校正单元的电流突变及瞬态电流，并根据瞬态电流与电流阈值的关系，控制PWM脉宽调整，进而调整电源模块输出功率。
9.如权利要求8所述的整机柜服务器电源模块均流控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：
S4.通过看门狗定时监控电源状态；
S5.根据电源状态计算出需要调整的电源模块及功率值；
S6.对相应电源模块的发出PWM脉宽调整通知，进行功率调整，实现各电源模块电压的细调。
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